關(guān)于光伏支架及其跟蹤系統(tǒng)介紹

張靖典

摘要：隨著科技的發(fā)展以及近幾年自然災(zāi)害的增多，人類越發(fā)覺得環(huán)境的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展是迫在眉睫的事情。所以各個國家和國際組織都開始提出了“碳中和”這一概念。但要實現(xiàn)這一偉大目標(biāo)，新能源的大力推廣和使用是重要而且必不可少的一環(huán)。目前對于新能源的推廣最主要還是大力使用電能，而在發(fā)電的模式中，太陽光伏系統(tǒng)（簡稱光伏）的比重越來越大，因此也造就了光伏產(chǎn)業(yè)的興起。光伏是指利用光伏半導(dǎo)體材料的光生伏打效應(yīng)而將太陽能轉(zhuǎn)化為直流電能的設(shè)施。隨著光伏產(chǎn)業(yè)的日趨成熟和被大量采用，如何最大增加發(fā)電效率也開始被思考和解決。目前，增加光伏發(fā)電效率主要有兩種：一，對太陽能板材料的探索，增加發(fā)電效率。二，調(diào)整光伏支架，讓太陽能板跟隨太陽而調(diào)整角度，增加光照直射面。本文將會詳細(xì)的介紹光伏支架的類型以及優(yōu)缺點(diǎn)，綜合給出簡單的跟蹤系統(tǒng)優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞：太陽光伏系統(tǒng)（Solar photovoltaic system） 光伏支架（PV support bracket） 跟蹤系統(tǒng)（Tracking system）

引言

光伏支架是光伏電站重要的組成部分，承載著光伏電站的發(fā)電主體。因此，支架的選擇直接影響著光伏組件的運(yùn)行安全、破損率及投資建設(shè)收益情況。

太陽能光伏支架設(shè)計方案需要考慮很多因素，任何類型的太陽能光伏支架設(shè)計方案的組件裝配部件，其最重要的優(yōu)勢之一必然是耐候性。 結(jié)構(gòu)必須牢固可靠，能承受如大氣侵蝕，風(fēng)荷載和其它外部效應(yīng)。

太陽能支架的最大抗風(fēng)能力216公里/小時，太陽能跟蹤支架最大抗風(fēng)150公里/小時（大于13級臺風(fēng)）。以太陽能單軸跟蹤支架和太陽能雙軸跟蹤支架為代表的新型太陽能組件支架系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的固定支架相比較，在太陽能電池板的數(shù)目相同的情況下，能極大的提高太陽能組件的發(fā)電量，采用太陽能單軸跟蹤支架組件的發(fā)電量可以提高25%，而太陽能雙軸支架甚至可以提高40%～60%

1.光伏支架主要類型介紹

在選擇光伏支架時，需要根據(jù)不同應(yīng)用條件來選擇不同材料的支架。根據(jù)光伏支架主要受力桿件所采用材料的不同，可將其分為鋁合金支架、鋼支架以及非金屬支架（柔性支架和混凝土支架），其中非金屬支架（柔性支架）使用較少，而鋁合金支架和鋼支架各有特點(diǎn)。

鋼支架性能穩(wěn)定，制造工藝成熟，承載力高，安裝簡便，廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)太陽能光伏和太陽能電站中。其中，型鋼均為工廠生產(chǎn)，規(guī)格統(tǒng)一，性能穩(wěn)定，防腐蝕性能優(yōu)良，外形美觀。值得一提的是，組合鋼支架系統(tǒng)，其現(xiàn)場安裝，只需要使用特別設(shè)計的連接件將槽鋼拼裝即可，施工速度快，無需焊接，從而保證了防腐層的完整性。但是這種產(chǎn)品也有其缺點(diǎn)，那就是連接件工藝復(fù)雜，種類繁多，對生產(chǎn)制造、設(shè)計要求高，因此價格不菲。

金屬支架混凝土支架，主要應(yīng)用在大型光伏電站上，因其自重大，只能安放于野外，且基礎(chǔ)較好的地區(qū)，但穩(wěn)定性高，可以支撐尺寸巨大的電池板。

非金屬支架（柔性支架），利用鋼索預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，類似于污水處理廠、地形復(fù)雜的山地、承重較低的屋頂、林光互補(bǔ)、水光互補(bǔ)、駕校、高速公路服務(wù)區(qū)等跨度和高度所限造成傳統(tǒng)支架結(jié)構(gòu)無法安裝的場所，柔性支架則很好地解決了這一難題，有效地解決現(xiàn)有山谷、丘陵地帶光伏電站存在的施工難度大，陽光遮擋嚴(yán)重，發(fā)電量低（與平整地帶光伏電站對比約低過10%-35%）電站支架質(zhì)量差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)。

總的來說，非金屬支架（柔性支架）具有廣泛的適應(yīng)性、使用的靈活性、有效的安全性和土地完美二次利用經(jīng)濟(jì)性，是光伏支架革命性的創(chuàng)造。但是其也存在一點(diǎn)小小的弊端，那就是抵抗惡劣天氣的能力不強(qiáng)，須避免在會出現(xiàn)惡劣天氣的地方安裝此類支架。

金屬支架的使用占大多數(shù)，其中金屬支架可以分為四大類：固定式支架;平單軸跟蹤支架;斜單軸跟蹤支架;雙軸跟蹤支架。

1.1 固定支架（fixed structure）

固定式支架，顧名思義支架是固定式的，是無法移動的。按照項目地點(diǎn)設(shè)計最佳傾角，采用固定方式安裝，結(jié)構(gòu)簡單，牢固。其結(jié)構(gòu)雖然簡單，但是其制造工藝并不簡單。事實上，高質(zhì)量的產(chǎn)品往往具有多項技術(shù)專利。下面以拼裝式鋼支架舉例說明。

首先，高質(zhì)量的型鋼通常具有高水平的鍍鋅工藝。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，鍍鋅層平均厚度應(yīng)大于50μm，最小厚度大于45μm。事實上，很多產(chǎn)品的鍍鋅層平均厚度雖然可以達(dá)到要求，但最小厚度小于40μm，實際使用中常常出現(xiàn)點(diǎn)蝕。鹵素對鋼材的腐蝕速度非常快，一年之內(nèi)就可能造成整體支撐結(jié)構(gòu)的弱化，造成安全隱患。因此，做到高度均勻的鍍鋅工藝并非易事。其次，型鋼鋼材的連接是一個技術(shù)難點(diǎn)。一整套有效的連接方法，不僅包括連接件上巧妙的構(gòu)思，還要配合槽鋼背孔、咬合齒牙的設(shè)計等等。這其中涉及沖壓、鑄造等多方面鋼鐵冶金技術(shù)。

另外，用于承受較大荷載的雙面槽鋼，必須進(jìn)行背靠背焊接。各種焊接工藝之間水平有很大差距。壓力激光焊接可以保證全斷面均勻連接，兩根槽鋼完全合為一體，共同受力;而電焊技術(shù)只能使兩根槽鋼部分固定在一起，受力形式更接近于疊合梁。有些型鋼為了提高承載力，還對槽鋼增加了加勁肋的冷軋。

總之，拼裝式型鋼支架的生產(chǎn)工藝存在諸多技術(shù)難點(diǎn)，需要冶金工程技術(shù)人員攻克技術(shù)壁壘，進(jìn)一步降低其使用成本。

相比于其他類型的光伏支架，固定式支架優(yōu)勢也很明顯，支架系統(tǒng)簡單，安裝方便，成本低，維護(hù)簡單。同時缺點(diǎn)也很明顯，不能對太陽能資源充分利用，相比跟蹤支架發(fā)電量少。

1.2平單軸跟蹤支架（single axis tracker）

平單軸跟蹤支架的軸向一般是采用南北軸，轉(zhuǎn)動軸南北方向與地面平行，跟蹤方位角，適用于低緯度地區(qū)，結(jié)構(gòu)相對簡單，安裝調(diào)試較為容易，牢固，抗風(fēng)好。其運(yùn)行基本原理是確保組件在東西方向上跟太陽光線成直角，所以平單軸跟蹤器跟蹤的是太陽的方位角，而不是高度角。由于跟蹤的范圍一般是在-60°至+60°，如果組件實時跟著太陽追蹤，在早上或傍晚太陽高度角較小的時候，需要的跟蹤角度一般會超過跟蹤范圍，而停留在±60°位置，此時前面一排組件會對后面一排產(chǎn)生遮擋。

對于平單軸跟蹤支架，如果采用逆跟蹤技術(shù)，可在減少陣列間距的同時，又能使光伏陣列間沒有遮擋，那么就可以很好地解決跟蹤系統(tǒng)面臨的光伏發(fā)電量和占地面積的抉擇問題。當(dāng)確定使用逆跟蹤技術(shù)后，為了提高發(fā)電量，還需要確定跟蹤支架的東西間距，因為東西距離大，早晚逆跟蹤算法啟動的機(jī)會相對來說就會少一些，那么可保證組件平面上所接收的輻射量相對較大。當(dāng)然，實際間距的選擇還需要看可利用的土地面積。早上和傍晚的時候，支架能夠反向旋轉(zhuǎn)，使前排組件陰影剛好沒遮到后排，實現(xiàn)入射角最大、發(fā)電量最大的目標(biāo)。

1.3斜單軸跟蹤支架（Oblique single shaft trestle）

平單軸跟蹤支架在國內(nèi)已經(jīng)有了廣泛的使用，通過東西向跟蹤太陽軌跡，較為顯著的提升了發(fā)電量，但平單軸也有其不利因素存在。

平單軸跟蹤支架由于向南方向沒有傾角，使得其在太陽高度角較低時輻射接收能力較差，這一點(diǎn)在高緯度地區(qū)表現(xiàn)尤其明顯，平單軸跟蹤支架在高緯度地區(qū)的發(fā)電量提升能力會有所下降，尤其是在冬季，發(fā)電量甚至低于固定式支架。

而斜單軸跟蹤支架因為向南方向有一定的傾角，所以這種情況會較平單軸好。因此適合中、高緯度地區(qū)，北半時旋轉(zhuǎn)軸北高南低，相比固定支架發(fā)電量可提高20～30%。

但是斜單軸跟蹤支架也有自身的局限，其穩(wěn)定性略差于平單軸跟蹤支架，而且由于向南方向有傾角，使得斜單軸跟蹤支架隨著旋轉(zhuǎn)軸的增長，北側(cè)距離地面越來越高，而由于其后立柱不可能做太高，所以也就限制了斜單軸的旋轉(zhuǎn)軸不能做成和平單軸一樣很長的一根軸，而只能是獨(dú)立的一個個個體，增加了其成本，維護(hù)也相對復(fù)雜，故障率自然也高，當(dāng)然也增加了占地面積。

雖然斜單軸跟蹤支架某些方面優(yōu)于平單軸支架，但在實際應(yīng)用中由于其自身的特點(diǎn)，也有需要注意的地方：

1.由于平單軸跟蹤支架對于低太陽高度角輻射接收效率低的缺點(diǎn)在中高緯度地區(qū)更加明顯，因此斜單軸跟蹤支架也更適合于中高緯度地區(qū);

2.?與平單軸系統(tǒng)組件在南北方向連續(xù)布置不同，斜單軸跟蹤系統(tǒng)中由于組件向南有傾角，因此需要模擬并確定組件之間的南北間距;

3.?由于組件從平鋪到最佳傾角之間，輻射接收量的增長率是逐漸降低的，同時由于傾角過大會使得組件南北間距過大，增加占地及支架成本。所以斜單軸跟蹤系統(tǒng)中適量提升組件傾角即可，傾角不宜過大。

1.4雙軸跟蹤支架（Dual-axis tracker）

雙軸跟蹤支架是利用雙軸跟蹤系統(tǒng)跟蹤太陽的光伏支架，雙軸跟蹤系統(tǒng)是一種能夠保持太陽能電池板隨時正對太陽，使太陽光的光線隨時垂直照射太陽能電池板的動力裝置。因此，適合中、高緯度地區(qū)，傳動機(jī)構(gòu)復(fù)雜，故障率高，使用不廣泛，相比固定支架發(fā)電量可提高20～30%，同時其成本也更高，維護(hù)更復(fù)雜，故障率更高。

2.提升發(fā)光效率原理分析

目前，增加光伏發(fā)電效率主要有兩種：一，對太陽能板材料的探索，增加發(fā)電效率。二，調(diào)整光伏支架，讓太陽能板跟隨太陽而調(diào)整角度，增加光照直射面。而本次主要從光伏支架的調(diào)整去提高發(fā)電效率，以支架的跟蹤系統(tǒng)作為分析對象。

2.1跟蹤控制方式

跟蹤控制系統(tǒng)主要有兩種跟蹤控制方式：

1.光線控制（光控），就是使用光傳感器，跟據(jù)不同區(qū)域光線強(qiáng)弱區(qū)別，判斷太陽位置，然后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動支架進(jìn)行追蹤。

2.時間控制（時控），根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)度坐標(biāo)和緯度坐標(biāo)以及時區(qū)時間，利用天文學(xué)計算公式，計算太陽所處天空的坐標(biāo)，然后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動支架進(jìn)行追蹤。

目前國內(nèi)公司大多都是將兩種控制原理結(jié)合，但是大部分都是以時控為主，光控為輔。當(dāng)天氣良好的情況下，利用時控追蹤太陽大約位置，然后利用光控進(jìn)行精確調(diào)節(jié);當(dāng)天氣條件不好的時候，單獨(dú)利用時控進(jìn)行追蹤，避免天空雜光干擾。

另外也可以采用另一種結(jié)合方式：仍然以時控為主，光控為輔，即天氣良好

的情況下，單純只利用光控進(jìn)行追蹤，如果遇到陰雨天氣，則自動轉(zhuǎn)跳到時控方式進(jìn)行追蹤。

時控方式中，使用GPS 模塊來獲取當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度和時間。保證坐標(biāo)和時間的精度，從而提高追蹤精確程度。入下圖所示，分別是光控跟蹤流程以及時控跟蹤流程。

2.2時控太陽方位計算

2.3機(jī)械結(jié)構(gòu)

跟蹤電站的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要分為三大部分，立柱，橫梁和網(wǎng)架。立柱與橫梁的連接處為x軸減速機(jī)，橫梁和網(wǎng)架的連接處為y軸減速機(jī)，鋼結(jié)構(gòu)支架全部采用熱鍍鋅，保證20年以上的使用壽命。

網(wǎng)架采用錯層設(shè)計，這種z形結(jié)構(gòu)，可以保證網(wǎng)架在轉(zhuǎn)動時，重心和軸心處于同一位置，從而消除了減速機(jī)偏重。

3.結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了目前光伏支架的類型，分析了各種光伏支架的特點(diǎn)以及缺點(diǎn)。從光伏支架的不斷進(jìn)化中，我們不難看出，始終都是為了讓光照利用率不斷提高，以此達(dá)到增加發(fā)電量的目的。因此，本文也詳細(xì)介紹了跟蹤支架的跟蹤角度的計算，以及跟蹤啟動的算法。同時，作者也探討了逆向跟蹤對發(fā)電量的影響。

作者通過對跟蹤系統(tǒng)的控制方式的研究，列出了兩種控制方式，即光線控制（光控）和時間控制（時控）。為了更加完整的提升光照效率，作者給出了光線控制與時間控制相結(jié)合的控制方式：以光線控制為主，時間控制為輔。并且對于結(jié)合控制方式，衍生出了兩種結(jié)合控制方式：

（1）當(dāng)天氣良好，光線充足的情況下，利用時控追蹤太陽大約位置，然后利用光控進(jìn)行精確調(diào)節(jié);當(dāng)天氣條件不好的時候，單獨(dú)利用時控進(jìn)行追蹤，這也避免了雨水折射光線產(chǎn)生雜光的干擾。

（2）依然以時控為主，光控為輔，天氣良好的情況下，只利用光控方式進(jìn)行追蹤，如果遇到陰雨天氣，只利用時控方式進(jìn)行追蹤。

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